JPS6228685B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はポンプ及び（または）圧縮機（以下に
纒めて流体力学機械と称される）を使用する流体
供給装置に於ける動力の経済的使用に、かつ更に
明確には、圧力揺動吸着の原理に基いて作動する
ガス分離装置を含む流体供給装置に係る。

簡単に説明すれば、圧力揺動吸着（PSA）装置
は送られたガス混合体の１成分（または複数成
分）を選択的に吸着して、原供給原料の他の成分
（または複数成分）に富んだ吸着されないガスを
放置する能力を有する材料の１基またはもつと多
数の床を有している。何れでも１基の床の作動は
必らず周期式であり、かつ吸着されない１成分
（または複数成分）を“生産”ガスとする床に対
する典型的な作動サイクルは基本供給原料が床に
利用可能にされ、所望されない１成分（または複
数成分）が吸着され、かつ吸着されない１成分
（または複数成分）が圧縮機によつて除かれる第
１周期、生産ガス圧縮機が連通と絶たれかつ真空
ポンプが吸着された１成分（または複数成分）を
除去するのに床の“上流”側に適用される第２周
期即ち再生周期、及び床が次のサイクルの開始に
備えて製品品質ガスを裏込めされる第３周期から
成つている。この形式のサイクルを繰返す典型的
なPSA装置は従つて（共通の生産ガス圧縮機及び
真空ポンプの関与する）３基の吸着床を有するこ
とができ、これらの床はいつでも１基の床が同床
のサイクルの吸着周期にあり、もう１基の床が同
床のサイクルの再生周期にあり、かつ残りの１基
の床が同床の裏込め周期にあるように順次に作動
する。このようにして生産ガスの一定供給が達成
される。同じ形式のサイクルを使用する二床式
PSA装置も知られており、同装置の床は一方の床
が同床の吸着周期にありその間他方の床が同床の
再生及び裏込め周期にあり、またその反対である
ように順次に作動する。吸着床の配置及び作動サ
イクルは様様に変えられることができる。

空気の２主成分、即ちちつ素及び酸素を分離す
るのに十分な選択的ガス吸着性を有する合成ゼオ
ライト材料が知られており、かつ圧力揺動吸着は
大気から酸素及びちつ素を現場で生産するための
益々重要な方法になりつつある。大気PSA装置が
特に有用な一分野は活性スラツジ反応器へ酸素に
富んだガスを供給する必要のある下水処理であ
る。当然、こうしたガスに対する需要は如何なる
特定時に於いても反応器内の材料の量及び状態に
左右され、かつ相当な範囲に変動することが可能
である。従つて必要なのはガス供給を需要に調和
させる（即ちPSA装置に有用なターンダウン
（turn−down）範囲を得る）ことができることで
ある。

需要とガス供給の必要な調和を達成する一方法
でPSA装置を定格容量で作動する状態に維持しか
つ生産ガスの必要を上廻る量を単に逃がすことで
ある。然し、この方法は大変不経済であり、かつ
PSA装置が必要な量よりも遥かに多い動力を消費
する結果をもたらす。従つて、本発明は主とし
て、PSA装置による酸素に富んだガスの供給の上
記の如き情況に於いて生産ガスに対する需要の落
ちた時に、こうした装置に於いて多量の動力を消
費するのは真空ポンプである点に留意して動力消
費の有用な減少を探求する（PSA装置の定格容量
に於いて作動する時に真空ポンプ及び生産ガス圧
縮機の動力消費量の比は基本供給原料の吸着され
る成分及び吸着されない成分の量の比にほぼ等し
く、即ち大気から酸素を生産するPSA装置の場合
に約７対１である）。然し、このことは本発明が
酸素を生産するPSA装置にしか適用されることが
できないことを意味すると解されるべきではな
い。

本発明は、圧力揺動吸着装置、第１流体の流れ
を前記吸着装置から利用装置へ同利用装置の同流
体に対する需要に左右される可変流量にして送る
ための第１流体力学機械、前記吸着装置から第２
流体の流れを送るのに前記第１流体力学機械より
も大きい容量を有する第２流体力学機械、前記利
用装置の前記第１流体に対する需要を感知する装
置、及び前記利用装置の前記第１流体に対する需
要が減少すれば前記第２流体力学機械の動力消費
が減少する結果になるように、前記第２流体力学
機械の送出し流量を前記感知装置から送られる信
号に応答して制御するための装置を有する流体供
給装置にある。

PSA装置が既述された形式の装置である場合に
第１及び第２両流体力学機械は同装置の生産ガス
圧縮機及び真空ポンプによつてそれぞれ構成さ
れ、第１及び第２両流体はそれぞれ供給原料の吸
着されない成分（または複数成分）及び吸着され
る成分（または複数成分）である。

第１流体力学機械が第１流体を利用装置へ同装
置の需要に応じて供給するようにされることがで
きる様々な方法がある。然し、既述の如く大気か
ら酸素を生産するPSA装置に於いて第１流体力学
機械（即ち生産ガス圧縮機）が両機械によつて消
費される全動力の僅かな割合しか消費せず、第１
流体力学機械が便宜には製品再循環用バイパスを
有しかつ一定速度で運転する容積型機械である場
合に、再循環は例えば、利用装置に於ける、また
は前記機械から利用装置への送出し管路内に於け
る圧力がもしも利用装置の需要を十分に表わすな
らば、利用装置または前記管路内の圧力感知器か
ら送られる信号に応答して調整される。

同様に、第２流体力学機械の送出し流量及び動
力消費を利用装置の需要に応じて制御することが
できる様々な方法がある。第１流体力学機械が利
用装置へ供給する第１流体の流量は利用装置の需
要によつて決定されるから同流量そのものは同需
要の目安になり、かつ第２流体力学機械は従つ
て、第１流体力学機械から利用装置への送出し管
路内の流体の流量を感知する流量計から送られる
信号に応答して制御されることができる。あるい
はまた、第２流体力学機械は利用装置に於けるま
たは第１流体力学機械から利用装置への送出し管
内に於ける圧力がもしも利用装置の需要を十分に
表わすならば利用装置または前記送出し管路内の
圧力感知器から送られる信号に応答して制御され
ても構わない。

第２流体力学機械に実施される制御の性質は採
用される機械の形式に左右されることになる。例
えば、もしも機械が容積型ポンプまたは渦巻ポン
プであるならば、送出し流量及び動力消費は運転
速度によつて決定され、その時には機械の作動を
需要感知装置から送られる信号に応答して制御す
るのに速度調整器が設けられても構わない。もし
も機械が同機械の前後の圧力差によつて送出し流
量及び動力消費の決定されるルーツ送風機または
類似機であるならば、その時には前記圧力差を需
要感知装置から送られる信号に応答して制御する
ための装置を設けられても構わない。あるいはま
た、如何なる型式の機械が第２流体力学機械とし
て使用されても、同機械の動力消費は断続運転に
よつて最低にされることができる。

本発明の好適実施例が次に添付図面を参照して
例示の目的で更に詳しく説明される。

添付図面の第１図を参照すれば、参照数字１は
下水処理場に於ける活性スラツジ反応器２の形を
した利用装置へ供給するのに大気から酸素に富ん
だガスを生産するようになつているPSA装置全体
を示している。この目的のために、PSA装置は供
給原料、即ち空気中のちつ素を酸素よりも容易に
吸着する合成ゼオライトの床を有している。同装
置は生産ガス圧縮機３を有し、同機によつて空気
が吸込まれて吸着床へ通され、かつ酸素に富んだ
吸着されないガスが管路４及び逆止弁４Ａを経由
して反応器２へ供給される。同装置は真空ポンプ
５を有し、同ポンプによつて、吸着床が再生され
かつ吸着された成分が排出されて大気へ戻され
る。既述の如く、こうした装置に於いて多量の動
力を消費するのは真空ポンプ５であり、PSA装置
の定格容量に於いて同ポンプの動力消費は生産ガ
ス圧縮機３の動力消費の７倍程度である。

圧縮機３は実質的に一定の予め選択された反応
器圧力を維持するように反応器２へ酸素に富んだ
製品を、同反応器の需要に左右される可変流量に
して供給するようになつている。一定排出機械で
あるこの圧縮機はこの目的のために、調整弁７を
組入れたバイパス管路６を有し、かつ感知器８が
圧縮機３から反応器２への送出し管路４内で反応
器圧力に伴なつて勿論変動する圧力を感知するの
に設けられている。圧力感知器８は、もしも反応
器の酸素に富んだガスに対する需要が減少しかつ
それ故に反応器圧力が上昇する傾向を持つなら
ば、弁７と開度が増して、圧縮機３の送出し流量
のもつと大きい割合を再循環させ、その結果とし
てPSA装置１からの生産ガスの抽出流量及び反応
器２へ同ガスの送出される流量が減少するよう
に、弁７の開度を制御するための信号を発する。
反対に、もしも反応器の需要が増すならば、反応
器圧力が下がる傾向を持ち、弁７の開度が減少し
て装置１から反応器２へ送出される製品ガスの流
量を増すようにされる。

管路４を通るガスの送出し流量は、真空ポンプ
５の作動を制御するための信号を発する積算流量
計９によつて感知される。ポンプ５は流量計９に
よつて発せられる信号に応答して制御される可変
速度電動機５Ａによつて駆動される容積型または
渦巻形機械であつて、反応器２の酸素に富んだガ
スに対する需要が増し、従つて圧縮機３から管路
４を通る送出し流量が増せば、ポンプ５の運転速
度及び送出し流量が増すことになりまた逆に、反
応器２の需要が減少し従つて圧縮機３から管路４
を通る送出し流量が減少すれば、ポンプ５の運転
速度及び送出し流量が減ることになるようにされ
る。理解されるべきはポンプの運転速度が低けれ
ば低いほど、PSA装置の再生されつつある吸着床
を完全に真空にするのに益々長い時間がかかるこ
とになり、かつ従つて同装置の時間サイクル（即
ち床が生産、再生及び裏込めの全サイクルを経過
するのに要する時間）が対応して延長されるよう
にされていることである。酸素に富んだガスの
PSA装置による全生産速度は対応して減らされ、
製品ガス圧縮機の一定排出量を満足する残量は同
機のバイパス管路６を通して再循環させられる。
吸着された成分のポンプ５による送出し流量は、
また従つて同ポンプによつて消費される動力もこ
のようにして、酸素に富んだガスの反応器によつ
て要求される量の供給を維持するのに必要な最低
量であるようにされる。

管路４を通る酸素に富んだガスの流量が流量計
９によつて積算される期間は反応器２の需要の変
動に対してPSA装置の作動の最も滑らかな応答を
維持するように、好ましくは調節可能である。活
性フラツジ反応器の酸素に富んだガスに対する需
要の変動速度は概して比較的低いので、通常の場
合、流量計９による酸素に富んだガスの流量の積
算期間は、全出力で稼動しているPSA装置の時間
サイクルの３倍の期間で十分である。

PSA装置１のほかに、補給装置が反応器２へ酸
素を供給するのに設けられて、この装置は反応器
２の需要がPSA装置の容量を上廻る万一の場合
に、またはもしもPSA装置が何かの理由で休止さ
れるべきであるならば同反応器へ蒸発器を通して
供給されることができる液体酸素のため１０を有
している。ため１０から供給される酸素の供給は
ソレノイド操作される開閉弁１１、及び調整弁１
２によつて制御される。開閉弁１１は製品ガス圧
縮機のバイパス管路内の調整弁７の全閉に応答し
て開くが、こうした全閉はPSA装置が反応器２の
需要と調和し損なうかまたは休止された時にしか
起らないようにされている。調整弁７の閉鎖後に
不正作動を防ぐ安全策として、開閉弁１１は反応
器２内の圧力が標準圧力よりもやや低い程度に落
ちた時に開く構造にされても構わない。この事態
は例えば、反応器２へ接続されかつ適当な圧力に
於いて作動するように調整される圧力スイツチの
装備によつて対処されることになる。調整弁１２
の開度は反応器圧力を予め選択された値に実質的
に一定に維持するように、反応器のウリツジ
（ullage）空間内の圧力感知器１３から送られる
信号に応答して制御される。あるいはまた、調整
弁１２は機械的装置であることができ、同装置は
同装置を通る酸素の流量を増減して、同装置の調
整された送出し圧力を維持し同圧力が次いで一定
の予め選択された反応器圧力を維持するようにな
つている。

次に第２図を参照すれば、同図は第１図の装置
が改変されて、圧力感知器８及び流量計９が省か
れかつ調整弁７の開度及び真空ポンプ５の運転速
度が各々、反応器２のウリツジ空間内の圧力感知
器１３から送られる信号に応答して制御されるこ
とを示している。然し、この装置の作動態様は第
１図の実施例に於けるのと実質的に同じであつ
て、反応器圧力の上昇（即ちPSA装置から送られ
る酸素に富んだガスに対する需要の減少）に応答
して弁７の開度は増しかつポンプ５の運転速度は
低くなり、また反応器圧力の下降（即ち反応器の
需要の増加）に応答して弁７の開度は減少しかつ
ポンプ５の運転速度は増高する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による流体供給装置が酸素に富
んだガスを活性スラツジ反応器へ供給するための
PSA装置を含んでいる一実施例の略図であり、第
２図は第１図の実施例に代る実施例の略図であ
り、第１図及び第２図に於いて同じ参照数字は同
じ部分を表わしている。 １……「圧力揺動吸着（PSA）装置」、２……
「活性スラツジ反応器」、３……「生産ガス圧縮
機」、５……「真空ポンプ」、８……「感知器」、
９……「積算流量計」。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 圧力揺動吸着装置を含む流体供給装置にし
   て、第１流体の流れを前記吸着装置から利用装置
   へ、同利用装置の同流体に対する需要に左右され
   る可変流量にして送るための第１流体力学機械、
   前記吸着装置から第２流体の流れを送るための前
   記第１流体力学機械よりも大きい容量を有する第
   ２流体力学機械、前記利用装置の前記第１流体に
   対する需要を感知する装置、及び前記利用装置の
   前記第１流体に対する需要が減少すれば前記第２
   流体力学機械の動力消費が減少する結果になるよ
   うに、前記第２流体力学機械の送出し流量を前記
   感知装置から送られる信号に応答して制御するた
   めの制御装置を有することを特徴とする流体供給
   装置。 ２ 特許請求の範囲第１項の流体供給装置に於い
   て、前記第１流体の流れは前記吸着装置の吸着床
   に吸着されないガスを含有し、前記第１流体力学
   機械は前記吸着されないガスを圧縮する圧縮機を
   有し、前記第２流体の流れは前記吸着装置の吸着
   床に吸着されたガスを含有し、かつ前記第２流体
   力学機械は真空ポンプであつて同ポンプによつて
   前記の如き吸着されたガスが前記吸着装置の前記
   吸着床から除去されることを特徴とする流体供給
   装置。 ３ 特許請求の範囲第１項または第２項の流体供
   給装置に於いて、前記感知装置は前記吸着装置か
   ら前記利用装置へ流れる前記第１流体の流量を感
   知する装置であることを特徴とする流体供給装
   置。 ４ 特許請求の範囲第１項または第２項の流体供
   給装置に於いて、前記感知装置は前記利用装置に
   於ける、または前記吸着装置から前記利用装置へ
   流れる前記第１流体に対する送出し管路内の流体
   圧力を感知する装置であることを特徴とする流体
   供給装置。 ５ 特許請求の範囲第１項から第４項のうちの何
   れか１項の流体供給装置に於いて、前記第２流体
   力学機械は同機械の送出し流量及び動力消費が同
   機械の運転速度によつて決定されるような形式の
   機械であり、かつ前記制御装置は前記運転速度を
   前記感知装置から送られる信号に応答して制御す
   るための装置であることを特徴とする流体供給装
   置。 ６ 特許請求の範囲第１項から第４項のうちの何
   れか１項の流体供給装置に於いて、前記第２流体
   力学機械は同機械の送出し流量及び動力消費が同
   機械の前後の圧力差によつて決定されるような形
   式の機械であり、かつ前記制御装置は前記感知装
   置から送られる信号に応答して前記圧力差を制御
   するための装置であることを特徴とする流体供給
   装置。 ７ 特許請求の範囲第１項から第４項のうちの何
   れか１項の流体供給装置において、前記制御装置
   は前記感知装置から送られる信号に応答して前記
   第２流体力学機械を断続的に作動させるための装
   置であることを特徴とする流体供給装置。 ８ 特許請求の範囲第１項から第７項のうちの何
   れか１項の流体供給装置に於いて、前記第１流体
   力学機械は一定排出量機械であつて、同機械の排
   出量のある割合を再循環させるためのバイパス管
   路、及び同バイパス管路を通る流量を、前記利用
   装置の前記第１流体に対する需要を感知する装置
   から送られる信号に応答して調整するための装置
   を備えていることを特徴とする流体供給装置。 ９ 特許請求の範囲第１項から第８項のうちの何
   れか１項の流体供給装置にして、更に、前記第１
   流体の貯蔵器、及び同流体に対する前記利用装置
   の需要が前記圧力揺動吸着装置によつて満たされ
   ない場合に前記貯蔵器から前記利用装置へ前記第
   １流体を供給するための装置をも有することを特
   徴とする流体供給装置。 １０ 特許請求の範囲第１項から第９項のうちの
   何れか１項の流体供給装置に於いて、前記圧力揺
   動吸着装置は酸素及びちつ素を含有する供給原料
   から酸素に富んだガスを前記第１流体として作る
   ようになつていることを特徴とする流体供給装
   置。